ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Емкостные измерения солнечных элементов

Для оценки качества р—n-перехода и определения его пара­метров, влияющих на характеристики солнечных элементов, чаще всего используют зависимость емкости перехода от на­пряжения [11, 14—23]. Последовательное измерение вольт-фарадной характеристики по точкам может быть осуществлено с применением емкостного моста при различных значениях внеш­него напряжения смещения. Однако вольт-фарадные характери­стики удобнее получать в виде кривых с помощью устройства, изображенного на рис. 1.4. Принцип действия автоматического измерителя вольт-фарадных характеристик состоит в следую­щем: создаваемый генератором синусоидальный сигнал с час­тотой 100 кГц (возможно использование другой частоты) и амп­литудой около 10 мВ подают через смеситель совместно с пило^ образным напряжением на емкостную нагрузку (солнечный элемент). Преобразователь ток — напряжение (ПТН) усиливает ток, проходящий через емкостную нагрузку, и преобразует его в пропорциональный по величине сигнал напряжения. Это на­пряжение, складывающееся из двух составляющих — совпадаю­щей по фазе с входным сигналом (которая пропорциональна активному сопротивлению нагрузки) и сдвинутой по фазе на 90°, которая пропорциональна емкостной части нагрузки,— по­дается в фазочувствительный детектор (ФЧД), где происходит разделение напряжения на составляющие. Выходные сигналы фазочувствительного детектора могут быть представлены в виде зависимостей емкости и проводимости от напряжения с помо­щью двухкоординатного графопостроителя или осциллографа. Индикаторный цифровой измеритель (ИЦИ) в зависимости от положения переключателя показывает значения либо емкости, либо проводимости. Такие автоматические измерители зависи­мостей емкости и проводимости от напряжения выпускаются промышленностью. Однако их рабочий диапазон ограничен зна­чениями емкости 2.. .2000 пФ. Авторами совместно с сотрудниками лаборатории был разработан авто­матический измеритель вольт-фарадных характеристик, позволяющий проводить измерения емкости в диапазоне от 2 пФ до 200 нФ [24].

При выполнении измерений вольт-фа­радных характеристик частота сигнала должна принимать значения, при кото­рых влияние протекающего тока на ос­цилляции заряда в области перехода максимально. Для некоторых типов сол­нечных элементов, которые содержат глубокие энергетические уровни ловушек, например элементов на основе C112S— CdS, частоту сигнала следует, наобо­рот, выбирать таким образом, чтобы не происходило возбуждения этих ловушек. В процессе измерений к солнечному эле­менту может быть приложено обратное или прямое напряже­ние смещения. Однако в режиме прямого смещения приложен­ное напряжение не должно превышать примерно 200 мВ, в про­тивном случае проводимость элемента значительно возрастает.

Дальнейшая обработка вольт-фарадных характеристик тре­бует внесения в измеренные значения емкости поправки, свя­занной с влиянием проводимости. В соответствии с эквивалент­ной схемой солнечного элемента, представленной на рис. 1.5, измеренные значения емкости См и проводимости G_M можно вы­разить через действительные значения емкости С и проводимо­сти G с помощью соотношений [23]

С_м = -; . Є, ,                                                         (1-2)

(1 + GR_S)² + (a)²tf_sC)²

Следует отметить, что при aR_sC^>\ + GRs справедливо прибли­женное равенство С_м~ l/C(co^_s)², т. е. С_м~\/С. Поскольку С— V^-1/2, последовательное сопротивление R_s элемента можно определить по углу наклона зависимости С_м~² от V.

Значения С и G могут быть рассчитаны по приведенным выше соотношениям с помощью ЭВМ. Из построенных затем зависимостей С^-2 от V можно найти диффузионный потенциал V_Dy концентрацию донорной примеси N_Dy толщину W обеднен­ного слоя и напряженность поля F в области перехода — пара­метры, входящие в ряд уравнений, устанавливающих зависи­мость между С и V. Эти уравнения имеют простую форму только при однородном распределении пространственного за­ряда. Помимо этого случая возможны и другие профили рас­пределения пространственного заряда [15, 21], которые пока­заны на рис. 1.6, а—г наряду с соответствующими теоретиче­скими зависимостями С~² от V. На рис. 1.6, а представлено однородное распределение заряда. Для распределения, приве­денного на рис. 1.6,6 и характерного для солнечных элементов на основе Cu₂S — CdS, прошедших термообработку, выполня­ются следующие соотношения:

Здесь Vd* — точка пересечения с осью напряжений экстраполи­рованной зависимости С~² от V, V_D — точка на оси напряжений, соответствующая диффузионному потенциалу, є — диэлектриче­ская проницаемость полупроводника, N_A— концентрация ак­цепторной примеси. Для наиболее общего случая, изображен­ного на рис. 1.6, г, Пфистерером [15] получены следующие со­отношения:

_W2^ 28 (У _D - V)           _{| d2} N^-(N_D-N_A)(d^~-d^) ' _{(1 6)}

qN D                                        N D

1_____ W*_ 2(Ур — У) d² Njb* — (N_D — N_A)(d²-b²)

С² е²                     eqN d        є²                          є²ЛJ_D

(1.7)

V'_D = V_D--±-[N_t б² + (N_d - N_a) (d² - б²) - N_Dd*].                         (1.8)

2s

Таким образом, используя различные формы представления за­висимости С^-2 от V_y можно найти значения V_Dy N_Dy N_A или W. Определяя зависимость Л/р от расстояния х до перехода, мы получаем профиль распределения концентрации примеси [12,

Рис. 1.6. Возможные профили распределения пространственного заряда и соответствующие зависимости С^-2 от V.

22. Измерив значение N_D, можно определить положение уровня Ферми. Напряженность поля F в области перехода находится из уравнения [19]

F(V)-                     _ 4NpW(V)

^у ’           W(V)                   є

Измерения емкости перехода при освещении и спектральной зависимости емкости дают очень важную информацию о влия­нии глубоких уровней на характеристики перехода. Ротворф
ш др. [19] провели исследование емкости освещенного перехода Cu₂S — CdS и изучили влияние спектрального состава излучения на поле в области перехода. Рассматривая совместные данные по емкости освещенного перехода и по спектральной чувстви­тельности (коэффициенту собирания носителей), авторы этой работы определили скорость рекомбинации на границе раздела.

При интерпретации результатов измерений вольт-фарадных характеристик необходимо учитывать зависимость измеряемых значений емкости от формы перехода. Коэффициент увеличения площади перехода, определяемый отношением площади реаль­ного перехода к площади элемента, в некоторых случаях, на­пример у тонкопленочных солнечных элементов на основе Cu₂S — CdS, изготовляемых «мокрым» методом [15], может быть равен 5.. .6. Коэффициент увеличения площади перехода уменьшается при повышении обратного напряжения смещения вследствие сглаживания области объемного заряда. К анало­гичному эффекту приводит и продолжительная термообработка [15, 20], в процессе которой увеличивается толщина компенси­рованного слоя CdS. При больших значениях коэффициента увеличения площади перехода угол наклона зависимости С~² от V увеличивается, и после термообработки элементов данная зависимость смещается в сторону высоких значений величины С^-2 в большей степени, чем в случае планарного перехода. Сле­довательно, значение концентрации легирующей примеси, най­денное по результатам емкостных измерений, оказывается за­ниженным, а коэффициент диффузии меди — завышенным по сравнению с их действительными значениями. Измерения коэф­фициента диффузии Си в CdS по экспериментальным вольт-фа- радным характеристикам солнечных элементов со структурой Cu₂S — CdS, прошедших термообработку, были проведены Пфи- стерером [15], а также Холлом и Сингом [20]. Отклонение про­филя распределения пространственного заряда от прямоуголь­ного также приводит к изменению зависимости С~² от V [15]. Пфистерер [15] подчеркивает, что определение концентрации ле­гирующей примеси, исходя из зависимости С^-2 от V, оказыва­ется невозможным в двух случаях: при сложной форме перехода и непрямоугольном профиле распределения пространственного заряда.

Нойгрошел и др. [17] предложили метод определения диф­фузионной длины и времени жизни неосновных носителей с ис­пользованием емкостных характеристик структур с р—ц-пере- ходом, измеряемых при прямом напряжении смещения. Емкость Cqnb квазинейтральной базовой области                                                                —n-структуры (аналогичные выводы справедливы и для п+—р-структуры) при прямом напряжении смещения равна

(1.10)

Здесь N_d—концентрация легирующей примеси в базовой об­ласти (определяемая по зависимости емкости от напряжения при обратном смещении), L_p — диффузионная длина неосновных носителей в базе я-типа проводимости, А — площадь перехода. Если величина C_QNB найдена экспериментально, то из уравнения (1.10) можно определить L_p, а из соотношения L_p= (D_px_p)^l/2 — время жизни носителей при условии, что известна величина D_p. Однако в измеряемое значение емкости С помимо Cqnb входит ряд других составляющих:

(1-11)

где символ 5 соответствует поверхностной области, sc— области объемного заряда перехода, QNE — квазинейтральной области легированного слоя, I — ионизированным примесям в области пространственного заряда перехода. В приборах с низкими зна­чениями плотности поверхностных состояний и заряда в поверх­ностном окисном слое величиной C_s можно пренебречь; вели­чины C_QNE и Cqnb пропорциональны [exp (qV/kT) — 1].

Для ТОГО чтобы выделить значение Cqnb, измерения вольт- фарадных характеристик проводят как на относительно высо­ких, так и низких частотах. Сигнал низкой частоты воздействует на подвижные носители во всех областях элемента, в то время как сигнал более высокой частоты не оказывает влияния на неосновные носители базовой области, вследствие чего вклад Cqnb в полную емкость прибора пренебрежимо мал. Подвиж­ные же носители, связанные с С/ и C_sc, реагируя на высокоча­стотный сигнал, дают вклад в измеряемую емкость. Таким об­разом, емкость, характерная для квазинейтральных областей, равна разности значений емкости, измеренных на низкой и вы­сокой частоте. Эта величина оказывается равной Cqnb при ус­ловии, что время жизни носителей %_е в легированном слое зна­чительно меньше тр и что для частоты сигнала f выполняется соотношение Те<С (1//) <СТр. Вычислив величину Cqnb с помо­щью уравнения (1.10), можно определить величину L_p. Требо­вание, ограничивающее применимость рассмотренного метода, состоит в том, что емкость нейтральной базовой области должна составлять значительную долю измеряемой общей емкости при­бора, поэтому данный метод не может использоваться для ис­следования приборов с малой диффузионной длиной носителей заряда.

Выбор солнечных элементов